Scene da film di fantascienza nel cuore della galassia M87: questo è quello che hanno osservato alcuni astronomi

Per gli astronomi si tratta di un mistero. Perché, ci si chiede, il getto di particelle cariche che fuoriesce dal disco di un buco nero supermassiccio dovrebbe far esplodere le novae che si trovano lungo il suo percorso, con frequenza doppia che altrove?

novae in M87 — Rappresentazione artistica del jet emesso dal buco nella galassia M87 che innesca l'esplosione di stelle novae lungo il suo percorso. Credit: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

Ciò che l’astronomo Alec Lessing della Stanford University e i suoi colleghi collaboratori hanno osservato nel cuore della galassia M87 ricorda tanto una possibile scena da film di fantascienza in cui viene sparato un fascio laser che fa esplodere tutto ciò che si trova vicino al suo percorso.

Nella realtà, grazie alla potenza del telescopio spaziale Hubble, è stato osservato un buco nero supermassiccio nel cuore della galassia M87 dal cui disco di accrescimento esce un potente jet di materia ad altissima temperatura che “in qualche modo” fa esplodere le stelle novae che si trovano lungo il suo percorso.

I protagonisti di questa scena…

Sicuramente, il ruolo di protagonista va dato al buco nero supermassiccio. Questo è lo stadio finale dell’evoluzione di una stella molto massiccia.

Il buco nero

La sua gravità superficiale è così elevata da impedire alla radiazione elettromagnetica (la luce) di sfuggire dallo stesso rendendolo invisibile. Tuttavia, questa stella “morta” sta attirando a sé tutto ciò che le si trova a passare vicino, gas, polveri, intere stelle. Ne ha già divorate così tante da aver raggiunto una massa equivalente a circa 6.5 miliardi di stelle come il Sole, una sorta di vero mostro cosmico.

Il nostro è, nello specifico, un buco nero ‘attivo’.

Dei buchi neri attivi ciò che si vede è il disco di accrescimento brillantissimo contenente il gas dei corpi celesti catturati e via via precipitati su di esso.

Le stelle, prima di precipitare sul di esso, vengono disaggregate (smembrate dall’estrema variazione di gravità nei suoi paraggi) e il loro gas avvolto in una sorta di disco (detto di accrescimento) estremamente caldo e brillante che rivela l’esistenza del buco nero.

La sua arma speciale

Il nostro protagonista buco nero supermassiccio ha una sua arma speciale, una sorta di cannone magnetico.

M87 jet — Immagine del jet di gas emesso dal buco nero nel cuore della galassia M87 come osservato dal telescopio spaziale Hubble. Credit: NASA, ESA, STScI, Alec Lessing (Stanford University), Mike Shara (AMNH); Acknowledgment: Edward Baltz (Stanford University); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

Infatti, a questo gas caldissimo e spiraleggiante attorno al buco nero è associato un intenso campo magnetico la cui struttura riesce a generare un intenso jet di particelle cariche (nuclei atomici ed elettroni) molto collimato e diretto verso l’esterno.

Appunto, si tratta di una sorta di cannone magnetico che spara un fascio di gas caldissimo e brillante a distanze fino oltre i 3000 anni luce.

Le comparse

A questo punto intervengono le comparse nella scena da film. Sono le stelle novae. Esattamente, si tratta di stelle nane bianche, anch’esse stelle “morte” in quanto sono lo stadio evolutivo finale di stelle di piccola massa come il Sole. Tuttavia, queste stelle hanno una compagna allo stadio di gigante rossa.

Stelle di massa simile al Sole, quindi stelle nane, dopo aver trascorso miliardi di anni bruciando placidamente il combustibile nel loro nucleo, si trasformano in giganti rosse per poi esplodere espellendo gli strati esterni (che formano una nebulosa planetaria) e lasciando come residuo una stella nana bianca, destinata ad un lentissimo raffreddamento.

La nana bianca riesce a rubare, grazie alla sua attrazione gravitazionale, l’idrogeno presente sulla superficie della gigante.

Questo idrogeno via via si va accumulando sulla superficie della nana bianca fino a quando, raggiunti certi valori di pressione e temperatura, brucia istantaneamente producendo un'esplosione dall’enorme luminosità (comunque inferiore a quella prodotta dalle supernovae).

Questa esplosione riesce a rendere alcune novae visibili anche ad occhio nudo per alcuni giorni, e per questo motivo furono chiamate erroneamente nell'antichità ‘stelle nuove’.

Cosa è stato scoperto

La galassia M87, come le altre galassie, è ricca di novae. Si stima che in questa galassia esploda mediamente una nova al giorno. Per nove mesi il telescopio Hubble è stato puntato su una porzione di M87, quella contenente il buco nero con il suo jet, ed ha preso un’immagine dello stesso ogni 5 giorni. Questa serie di immagini ha permesso di scoprire l’esplosione di ben 97 novae.

La scoperta interessante è che lungo il jet emesso dal buco nero, la frequenza con cui esplodono le novae è doppia rispetto altrove.

Esiste una relazione tra la presenza del jet e l'esplosione delle novae. Tuttavia, rimane misterioso il meccanismo fisico in azione.

Una ipotesi potrebbe essere che il jet stimola la formazione di nane bianche in sistemi binari (cioè con un compagna gigante) per cui essendocene di più lungo il jet lì ne esplodono di più.

Altra ipotesi è che la presenza del jet, riscaldando la gigante, acceleri il rifornimento di idrogeno (la sua cattura dalla gigante alla nana) o che la pressione di radiazione emessa dal jet sia la causa scatenante, per cui le esplosioni avvengono più frequentemente.

Nessuna delle ipotesi finora formulate è convincente. Una volta fatta l’osservazione, ora sta ai teorici trovarne la spiegazione, cioè costruire il modello fisico che giustifichi ciò che è stato osservato.

Riferimenti alla ricerca:

"A 9 Month Hubble Space Telescope Near-UV Survey of M87. II. A Strongly Enhanced Nova Rate near the Jet of M87", lesisng et al. ApJ, 2024